基于Virtuo Zo系統(tǒng)的地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)方法

夏佳毅

（江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

0.引言

基礎(chǔ)地理信息是國家發(fā)展重要戰(zhàn)略資源，在政府管理決策、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人民生活品質(zhì)改善等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1,2]。大數(shù)據(jù)背景下，越來越多的行業(yè)建設(shè)需要以地理空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，隨著各行各業(yè)發(fā)展要求的復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地理信息已不能滿足需求，為順應(yīng)時代發(fā)展，更好地服務(wù)社會，測繪部門應(yīng)選擇合理的數(shù)據(jù)采集處理方法以實(shí)現(xiàn)自然資源信息的快速、準(zhǔn)確獲取。基礎(chǔ)地理信息時空平臺數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、地理實(shí)體數(shù)據(jù)、地名/地址數(shù)據(jù)、新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)字正射影像模型（DOM）、數(shù)字地形圖，通常采用全站儀或RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，外業(yè)工作周期長、成圖速度慢、效益低不能滿足快速發(fā)展的需求[3]。作為測繪領(lǐng)域新興技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在多個行業(yè)已有應(yīng)用，取得的很好的效果。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是通過搭載在無人機(jī)平臺上的多鏡頭、高分辨率相機(jī)多個視角快速獲取高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)，同時，無人機(jī)平臺會搭載多種不同的傳感器，不同的傳感器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時坐標(biāo)位置、航行數(shù)據(jù)、影像重疊度等參數(shù)的記錄，從而使影像數(shù)據(jù)更加詳細(xì)。對影相數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的內(nèi)業(yè)軟件處理即可實(shí)現(xiàn)DOM、數(shù)字地形圖的快速生產(chǎn)[4]。利用VirtuoZo系統(tǒng)生產(chǎn)DOM、數(shù)字地形圖[5]，簡化了外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程，人工數(shù)據(jù)處理簡單，極大程度降低了工作量，成圖速度快，可適應(yīng)快節(jié)奏的生產(chǎn)需求。考慮無人機(jī)傾斜攝影測量的優(yōu)勢特點(diǎn)，本文提出基于傾斜攝影測量技術(shù)的地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)方法。實(shí)踐證明：使用該方法DOM、數(shù)字地形圖的生產(chǎn)速度快、精度高、生產(chǎn)效益好，建議推廣使用。

數(shù)字正射影像圖（DOM）是通過對航空像片或航空遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像糾正、匹配、分幅等處理后，生成的二維平面影像數(shù)據(jù)。正射影像圖可附加坐標(biāo)、地形要素等信息，具有矢量性，內(nèi)容豐富。

1.傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)工藝

利用VirtuoZo系統(tǒng)生產(chǎn)地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要技術(shù)路線如下：

（1）首先進(jìn)行測區(qū)資料的收集工作，明確測區(qū)內(nèi)已有成果，這包括測區(qū)內(nèi)控制資料、坐標(biāo)系統(tǒng)、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)網(wǎng)、高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)、國土調(diào)查資料、地形圖資料；根據(jù)相關(guān)規(guī)定規(guī)范編寫設(shè)計書；

（2）航飛方案設(shè)計，航飛方案主要包括無人機(jī)相機(jī)檢校、設(shè)計航飛路線、高度、時長、架次、影像分辨率重疊度等方面，區(qū)域過大時應(yīng)考合理分區(qū)；

（3）布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)滿足布點(diǎn)方案的要求，選擇按圖幅布設(shè)或按航線、區(qū)域布設(shè)。像控點(diǎn)一般選擇布設(shè)平高點(diǎn)，且位置明顯。完成布點(diǎn)后使用RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；

（4）完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，檢測像片質(zhì)量情況后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，首先對原始像片進(jìn)行幾何糾正、鑲嵌、勻光勻色、裁切等處理，然后使用軟件進(jìn)行空三加密，主要內(nèi)容是結(jié)合像控點(diǎn)數(shù)據(jù)對像片POS數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算。目前部分軟件都能夠自動實(shí)現(xiàn)空三加密解算，同時通過多視影像聯(lián)合平差技術(shù)進(jìn)行傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配技術(shù)得到高精度高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便三維建模使用；

（5）外業(yè)核查工作，內(nèi)業(yè)繪圖過程中存在的不能清晰辨別的地物或位置信息模糊，可通過實(shí)景三維模型進(jìn)行辨別或人工外業(yè)調(diào)繪；

（6）完成圖像分幅整飾繪制等工作后，需進(jìn)行精度質(zhì)量檢查，通過質(zhì)量檢查的數(shù)據(jù)才能提供使用。

基本工作流程（如圖1所示）：

圖1 基本工作流程圖

2.工程實(shí)踐

2.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于江蘇省，主要為居民區(qū)，選擇部分測區(qū)面積約為4.32km2，測區(qū)地形復(fù)雜高差較大。測區(qū)內(nèi)共布設(shè)了35個像控點(diǎn)，點(diǎn)間距約為120m。

航飛無人機(jī)飛行平臺為Motorsky-Q5四代，航線設(shè)計根據(jù)線路走向進(jìn)行航線設(shè)計共設(shè)計飛行6個架次，根據(jù)要求測量線路寬度，單架次5條航線。航攝像片15454張，POS數(shù)據(jù)7149個，設(shè)計飛行相對高度120 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%，飛行信息（如表1所示）：

表1 飛行信息

2.2 內(nèi)業(yè)處理

本次數(shù)據(jù)生產(chǎn)選擇使用適普公司與武漢大學(xué)測繪學(xué)院研制的VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，影像匹配技術(shù)是該系統(tǒng)核心功能，VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)是處理無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的重要平臺，功能全面強(qiáng)大，設(shè)計人性化、交互界面清晰簡潔，是一個可供多種格式數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)，同時也具備了測圖自動化程度高、匹配算法精度高、解算速度快、成果可實(shí)現(xiàn)三維展示等優(yōu)勢，能夠完成從影像定向、匹配、整飾到各種比例尺地形圖成圖的一體化處理方案。在測量行業(yè)有著很重要的地位。VirtuoZo系統(tǒng)功能全面是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高精度DOM產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)，其功能包含了影像數(shù)據(jù)的管理、影像數(shù)據(jù)的定向、核線生成、基于核線的影像匹配以及模型拼接。VirtuoZo系統(tǒng)DOM產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖（如圖2所示），DOM成果、數(shù)字地形圖成果詳情（如圖3、圖4所示）：

圖2 VirtuoZo系統(tǒng)DOM產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖

圖3 DOM成果

圖4 數(shù)字地形圖

3.地形圖繪制與精度評定

3.1 地形圖繪制

地形圖內(nèi)業(yè)采集按全要素地形圖測繪要求采集地形圖要素，采集過程中必須滿足以下要求：

（1）數(shù)據(jù)采集需依據(jù)內(nèi)業(yè)立體模型，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪完成繪圖，以此原則進(jìn)行繪圖處理。對于存在的問題，需內(nèi)外業(yè)結(jié)合，確定存在的合理性，再進(jìn)行繪圖處理，以確保成圖精度。繪圖時要保證要素采集的全面性，保證其要素不存在位移、變形、錯漏等情況即實(shí)現(xiàn)全要素正確采集，地形要素完整全面提取；

（2）數(shù)據(jù)采集時針對部分依比例尺地物符號時，應(yīng)以測標(biāo)中心切準(zhǔn)輪廓線或拐點(diǎn)連線，針對不依比例尺地物符號，采集時應(yīng)以測標(biāo)中心切準(zhǔn)基點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、定位線。對模型不清楚，無法準(zhǔn)確定位時，不能采集；

（3）內(nèi)業(yè)繪圖工作中，要素的采集工作要結(jié)合屬性編輯以保證其正確性和連貫性，采集的同時需編輯相關(guān)屬性內(nèi)容，使要素完成內(nèi)業(yè)采集的同時，除部分存在不確定性的要素，其他要素屬性特點(diǎn)盡可能的全面。確定其屬性特點(diǎn)有利于外業(yè)調(diào)繪工作地開展，對產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著重要意義；

（4）針對存在邏輯關(guān)系的相關(guān)要素，在內(nèi)業(yè)采集前要確定其先后順序關(guān)系，確保其合理性使其要素之間邏輯關(guān)系正確；

（5）特殊要素要進(jìn)行分類繪圖。采取不同的繪圖方法進(jìn)行內(nèi)業(yè)全要素采集。針對公共道路上的各種管道檢修井孔（熱力、電力、電訊、排水、給水、煤氣、天然氣等）詳細(xì)分類采集。對于臨時開挖的大面積工地，采用高程注記、等高線等方式進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)記；

（6）具有方向性的線狀符號，以鋸齒位置表示其方向性，要求鋸齒位置在其右側(cè)；

（7）外業(yè)調(diào)繪采集時以內(nèi)業(yè)完成的臨時線劃圖為依據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地勘察、補(bǔ)測。外業(yè)調(diào)繪的工作內(nèi)容包括對內(nèi)業(yè)采集工作的精度分析，對內(nèi)業(yè)中存在的影像模糊、遮擋無法判定的地物進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測補(bǔ)充其相關(guān)數(shù)據(jù)，確保繪圖精度，進(jìn)行部分高程數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行要素名稱調(diào)繪；

（8）針對地物取舍以及臨時變動情況，外業(yè)調(diào)繪需結(jié)合內(nèi)業(yè)繪圖要求。對于補(bǔ)測、修改的數(shù)據(jù)資料，外業(yè)調(diào)繪時需詳細(xì)明確標(biāo)記其位置、屬性等相關(guān)信息；針對臨時變動或外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后拆除的建筑，即存在影像現(xiàn)實(shí)卻被拆除，無法基線表示的地物，用紅色“×”劃去，并進(jìn)行詳細(xì)說明。

整體要素全采集工作整個環(huán)節(jié)需嚴(yán)格依照《城市測量規(guī)范（CJJ T8－2011）》要求和《地形圖編繪及圖式》，除此之外，該過程處于立體測圖與數(shù)據(jù)編輯的中間階段，需整體考慮顧及內(nèi)外成果，更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 DOM的生產(chǎn)指標(biāo)

（1）分幅方式及大小。按照GB/T 20257.1規(guī)定，采用50cm×50cm的圖幅向四邊擴(kuò)展圖上約10mm提供數(shù)據(jù)；像素大?。簲?shù)字影像圖地面分辨率為0.1m；數(shù)據(jù)格式：無壓縮的TIF+TFW格式，數(shù)據(jù)擴(kuò)展名為*.TIF；數(shù)據(jù)色彩：彩色；其他要求：色調(diào)基本保持一致，圖幅之間要注意幾何精度和色彩的接邊；

（2）DOM精度指標(biāo)。地面上明顯地物點(diǎn)對鄰近野外控制點(diǎn)平面位置的點(diǎn)位中誤差最大值不超過0.6m（最大誤差為中誤差的2倍）。相鄰像幅的接邊差最大不超過2個像元；

（3）影像質(zhì)量要求。影像清晰，反差適中，色彩及色調(diào)均勻，影像無模糊、錯位、扭曲、拉花等現(xiàn)象，保證影像數(shù)據(jù)的連續(xù)、無縫和視覺一致性，影像的灰度直方圖盡可能布滿0-255個灰階，并基本接近正態(tài)分布。

3.3精度評定

本次精度評定主要內(nèi)容為大比例尺地形圖的精度評定，按規(guī)范要求平面點(diǎn)位精度和高程注記點(diǎn)精度要求（如表2所示）：

表2 一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地形攝影測量的基本精度

選取測圖部分區(qū)域均勻分布的10個檢查點(diǎn)，采用RTK技術(shù)測量，并進(jìn)行精度評定，基本等高為1m，平面和高程誤差統(tǒng)計（如表3所示），誤差統(tǒng)計圖（如圖5所示）：

圖5 監(jiān)測響應(yīng)時間對比

表3 誤差統(tǒng)計表

圖5 誤差統(tǒng)計圖

根據(jù)表中ΔH、ΔS可依據(jù)中誤差公式（1）可分別求出檢測點(diǎn)平面中誤差和高程中誤差。

計算可得Ms=0.309m，1∶500大比例尺地形圖圖上距離則為0.618mm，MH=0.415m，小于1/2基本等高距，由圖4可知，高程中誤差變化情況比平面誤差變化大，但計算結(jié)構(gòu)仍滿足大比例尺地形圖精度要求。

4.結(jié)束語

本文從地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)出發(fā)，提出無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合VirtuoZo軟件進(jìn)行DOM產(chǎn)品生成的工作流程，并進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的快速獲取，同時，在數(shù)據(jù)處理過程中充分發(fā)揮了VirtuoZo軟件交互式編輯功能，快速高精度地生成了數(shù)字正射影像和數(shù)字線劃圖，實(shí)現(xiàn)了大比例地形圖的測繪；

（2）目前無人機(jī)數(shù)據(jù)采集過程中受天氣情況影響較大，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差等情況，接下來會在質(zhì)量較差的影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)DOM產(chǎn)品工作中進(jìn)行深入研究。